諧波和中性線(xiàn)過(guò)載的風(fēng)險(xiǎn)Whitepaper新編

諧波和中性線(xiàn)過(guò)載的風(fēng)險(xiǎn)Whitepaper新編版次0摘要本文檔將對(duì)與諧波電流相關(guān)的問(wèn)題進(jìn)行概述，并特別關(guān)注于信息技術(shù)設(shè)備。同時(shí)對(duì)國(guó)非線(xiàn)性負(fù)載會(huì)導(dǎo)致電力線(xiàn)路中出現(xiàn)諧波電流。諧波是頻率為基本線(xiàn)路基頻(50或60Hz)倍數(shù)的有害電流。諧波電會(huì)發(fā)生火災(zāi)。在信息技術(shù)電源系統(tǒng)中，了解何時(shí)應(yīng)該以及如許多臺(tái)式個(gè)人電腦對(duì)交流電源表現(xiàn)為非線(xiàn)性負(fù)載。這是因?yàn)樗鼈儾捎昧朔Q(chēng)為“電容輸入開(kāi)關(guān)電源”的電源設(shè)計(jì)。包括服務(wù)器、路由器、集線(xiàn)器和存儲(chǔ)系統(tǒng)在內(nèi)的信息技術(shù)設(shè)備則幾乎普遍采用另一種名為“功率因數(shù)校正”的不與個(gè)人業(yè)界對(duì)于減少交流電源系統(tǒng)中的非線(xiàn)性負(fù)載量有很大的興趣。非線(xiàn)性負(fù)載會(huì)降低公用電力系統(tǒng)的配電能力，并使提供給附近客戶(hù)的交流電波形失真，從而降低電源質(zhì)量等級(jí)。此外還存在導(dǎo)致客戶(hù)設(shè)施起火的風(fēng)險(xiǎn)。在20世紀(jì)80年代，公共電力企業(yè)和包括IEC(國(guó)際電工委員會(huì))在內(nèi)的國(guó)際公約機(jī)構(gòu)注意到了電氣設(shè)備耗電量所占IEC2標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)家銷(xiāo)售計(jì)算機(jī)受到了限制。促成了功率因數(shù)校正電源技術(shù)的發(fā)展。555-2，涵蓋了每相吸收電流不超過(guò)16A的所有設(shè)備。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)采用非線(xiàn)性開(kāi)關(guān)電源的產(chǎn)品的諧波絕對(duì)值和百分比外的限制。除美國(guó)和歐共體之外的許多國(guó)家采用了這一標(biāo)準(zhǔn)。歐共體在1995年稍晚時(shí)候采用了其自357939次的奇次諧波1n和通信引入的新的計(jì)算機(jī)設(shè)備都符合IEC1000-3-2。雖然并非所有國(guó)家都立即采用了這一標(biāo)準(zhǔn)，但它卻已成為延遲達(dá)標(biāo)企業(yè)要面對(duì)的強(qiáng)大的貿(mào)易壁壘。計(jì)算機(jī)原始設(shè)備制造商(OEM)對(duì)用于系成的OEM設(shè)備幾乎普遍規(guī)定要符合IEC1000-3-2。這就使得IT行業(yè)在2001年1月1日期限甚至是原定的1998年期美國(guó)提出了“14號(hào)修正案”對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修正，“14號(hào)修正案”弱化了該標(biāo)準(zhǔn)，允許更多諧波存在。采用這一修在歐共體及其他許多國(guó)家內(nèi)銷(xiāo)售的產(chǎn)品必須符合EN61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)尚未正式采納此標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)今所生產(chǎn)的信息技術(shù)設(shè)備普遍針對(duì)全世界應(yīng)用而設(shè)計(jì)，故要求有CE標(biāo)志并須符合IEC標(biāo)準(zhǔn)。因此，除小型PC之外的IT設(shè)備普遍遵照此標(biāo)準(zhǔn)(在美國(guó)仍有不合此標(biāo)準(zhǔn)的PC在銷(xiāo)售)。在過(guò)去5年中，由于新型設(shè)備對(duì)老設(shè)備的自然替代，諧波在數(shù)據(jù)中系統(tǒng)的意義1.當(dāng)中性線(xiàn)回路中高于三次的諧波總含量低于2%時(shí)，除三次諧波之外的所有諧波對(duì)中性線(xiàn)電流的貢獻(xiàn)均可2.在負(fù)載不高于675W的條件下，系統(tǒng)“K”系數(shù)的理論最大值為9。如果存在更大的負(fù)載，則理論最大“K”kW負(fù)載下，最大“K”系數(shù)為3。如果所有回路均被加載至最大額定值，沒(méi)有負(fù)載高于675W，且所有負(fù)載產(chǎn)生的三次諧波均在規(guī)定限制減?。豪?，在2kW負(fù)載下，理論最大中性線(xiàn)電流小于相電流。因，諧波電流將低于理論值：1.制造商必須在較寬的電壓、制造容差及負(fù)載范圍內(nèi)滿(mǎn)足規(guī)章要求，其結(jié)果是實(shí)際產(chǎn)品在典型運(yùn)行條件下2.某些負(fù)載采用相對(duì)相連接(特別是在美國(guó))，因此不會(huì)貢獻(xiàn)中性線(xiàn)電流。在實(shí)際系統(tǒng)上進(jìn)行了試驗(yàn)，以確定K系數(shù)和中性線(xiàn)電流要求。采用了兩個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)1由一系列Dell設(shè)備組括4臺(tái)不同的服務(wù)器、1個(gè)磁帶庫(kù)以及1套聯(lián)網(wǎng)存儲(chǔ)系統(tǒng)(采用其他品牌設(shè)備也獲得了類(lèi)似結(jié)果)。系統(tǒng)2由PC載組成。諧波電流測(cè)量采用Fluke電力線(xiàn)路分析儀。K系數(shù)采用IEEE標(biāo)準(zhǔn)1100-1992計(jì)算。中性線(xiàn)電流容量選型系數(shù)按照加載至最大容量的三相系統(tǒng)計(jì)算。以下給出試驗(yàn)結(jié)果。中性線(xiàn)選型(為相線(xiàn)電流要求的8%102%42%應(yīng)注意到PC與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的巨大差異。注意當(dāng)PC與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備混合時(shí)，K系數(shù)和中性線(xiàn)選型要求低于PC所要求的值。此數(shù)據(jù)顯示，幾乎不可能構(gòu)建出要求“K”額定值高于5或要求中性線(xiàn)額定電流超出相電流額定值的信息技術(shù)諧波如何使樓宇內(nèi)中性線(xiàn)過(guò)載并造成潛在火災(zāi)危險(xiǎn)性線(xiàn)充當(dāng)了所有單相負(fù)載電流的“公共”回路。三相電力系統(tǒng)的一個(gè)性質(zhì)是，如果各條火線(xiàn)的負(fù)載基本相當(dāng)，則有時(shí)樓宇配線(xiàn)設(shè)計(jì)會(huì)利用這種抵消作用，中性線(xiàn)導(dǎo)線(xiàn)規(guī)格小于火線(xiàn)。然而，計(jì)算機(jī)所產(chǎn)生的諧波電流會(huì)使此類(lèi)系統(tǒng)的運(yùn)行發(fā)生變化。計(jì)算機(jī)會(huì)產(chǎn)生大量的三次諧波電流。由于數(shù)學(xué)相位性質(zhì)，三次諧波電流在中性線(xiàn)上相互疊加而不是相互抵消。因此，在安裝有大量個(gè)人電腦的樓宇中，中性線(xiàn)可能承載比其設(shè)計(jì)值高得多的電流。事實(shí)上，述數(shù)據(jù)顯示，盡管中性線(xiàn)電流不可能超過(guò)相電流，但在PC環(huán)境中中性線(xiàn)電流卻可能達(dá)到相電流值。因此，在辦公環(huán)境中決不允許中性線(xiàn)降低規(guī)格。這一問(wèn)題并非PC環(huán)境所獨(dú)有，因?yàn)檫€存在其他非線(xiàn)性負(fù)載，如日光燈鎮(zhèn)流器。不過(guò)這一問(wèn)題在數(shù)據(jù)中心內(nèi)已不再顯著，因?yàn)橄嚓P(guān)規(guī)章中已要求采用功率因數(shù)校正設(shè)備(應(yīng)注意即使所有插座均為單相，多數(shù)樓宇還是采用三相配線(xiàn))。諧波使樓宇電力變壓器過(guò)載并導(dǎo)致其老化電力變壓器采用KVA為單位標(biāo)示，設(shè)計(jì)用以承載頻率為工頻頻率(50或60Hz)的電流。限制變壓器送電容量的是其輸送的電流產(chǎn)生。當(dāng)電力變壓器承載諧波電流時(shí)，一種稱(chēng)為“鄰近效應(yīng)”的效應(yīng)(有時(shí)會(huì)與渦流作用相混淆)將導(dǎo)致變壓器的有效電阻隨頻率提高而增大。其結(jié)果是，如這一問(wèn)題出現(xiàn)需要3個(gè)條件同時(shí)發(fā)生：1)變壓器負(fù)載必須接近其容量(不常見(jiàn))；2)變壓器“K”系數(shù)額定水平較差(鄰近效應(yīng)設(shè)計(jì)不佳)；3)樓宇內(nèi)的主要負(fù)載須為PC。這是真正的潛在問(wèn)題，在已部署了大量PC的情況下尤其如此。需要關(guān)注的地點(diǎn)通常還是PC密度較高的辦公室環(huán)境，如呼叫中心。如前文所解釋的原因，這一問(wèn)題在數(shù)題的消除和緩解諧波的設(shè)備配置中性線(xiàn)4.采用K額定值的變壓器用不產(chǎn)生諧波的設(shè)備對(duì)于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，由于采用IEC規(guī)章，問(wèn)題已被解決。對(duì)于PC則較為困難，因?yàn)榇罅恐C波分量來(lái)自顯示器。一種方式免。免SPC器問(wèn)近吸。線(xiàn)在現(xiàn)代設(shè)施中，中性線(xiàn)總是應(yīng)被設(shè)計(jì)為與電力線(xiàn)相同的容量(或更大)。這與允許降低中性線(xiàn)規(guī)格的電氣規(guī)范大大型個(gè)人電腦負(fù)載應(yīng)用，一種合適的設(shè)計(jì)是規(guī)定中性線(xiàn)超出相線(xiàn)容量約50%(在美國(guó)為2級(jí)規(guī)格，即如果相線(xiàn)為8級(jí)規(guī)格，中性線(xiàn)就應(yīng)為6級(jí)